Hadrony w materii jądrowej-nowe wyniki eksperymentalne Wstęp Formalizm produkcji par dileptonowych (e+e-, +- ) Rola lekkich mezonów wektorowych (//) Modyfikacje f. spektralnych mezonów a Symetria Chiralna Przegląd najnowszych wyników eksperymentalnych: Mezony w gorącej materii jądrowej: T=60-80 MeV: DLS@BEVELAC, HADES@GSI (1-2 AGeV) T=150-180 MeV: CERES@SPS, NA60@SPS (40-160 AGeV) Mezony w jądrze: E325@KEK, G7@JLAB, TAPS@ELSA, HADES@GSI Podsumowanie i perspektywy P. Salabura IFUJ

γ e+ Im Πem(M,q) Produkcja dileptonów e- Zródło termalne (gaz hadronowy)w temperaturze T: e+ e- γ Im Πem(M,q) Funkcja korelacyjna elektromagnetycznych prądów kwarkowych: prąd em. kwarków q fB(T,E) – Rozkład Bolztmana temperatury (exp–E/T) L(M2)- czynnik przestrzeni fazowej stanu końcowego Cała fizyka zakodowana jest w funkcji korelacyjnej Im Πem(M,q)

Produkcja dileptonów- funkcja korelacyjna Πem(M,q) W próżni Im Πem dane przez R= (e+e- hadrony)/ (e+e-+-) s ≥ sdual~(1.5GeV)2 : pQCD kontinuum s < sdual : Zdominowana przez funkcje spektralne Av(s) mezonów wektorowe! r +w +f r I =1 qq 2p + 4p +... KK v (s) Jak wyglądają f. spektralne w materii jądrowej?

Scenariusz hadronowy zmian masy Funkcja spektralna r = r0 Przykład: W. Peters et.al. NPA 632(1998)109: Próżnia:   W materii jądrowej dodatkowe efekty: + r N-1 N(1520) + ... D(1232)  Dominująca rola barionów !

Wpływ rodzaju materii na wł. f. spektralnej  Mezony + bariony Mezony rB/r0 0.1 0.7 2.6 [Rapp.Wambach: Adv. Nucl. Phys25 (2001)1  “rozpuszcza” się w gorącej materii gęstość barionów B ma większy wpływ

Spontaniczne łamanie SCh-kondensat kwarkowy Natura wybiera stan jako stan podstawowy próżni stan charakteryzujący się istnieniem kondensatów. SCh jest łamana spontanicznie – model Nambu-Goldstone: bozony Goldstona (piony dla SU(2)) oraz dublety chiralne np:  (1-) i a1(1+) generacja masy : masa konstytuentna kwarków u,d,s – 99% masy nukleonu! parametr złamania Sch: Klimt, Lutz,Weise Phys.Lett.B249 (1990) 386 B Kondensat w materii jądrowej JP=0± 1± 1/2± Brown,Rho Phys.Lett. 66(1991)2720

Symetrii Chiralna a masy mezonów wektorowych Vacuum Symteria chiralna Jaki mechanizm wybiera natura? Mierzyć można tylko f. spektralną  (e+e-)

Przewidywania QCD – reguły sum wiążą funkcje spektralne Av z własnościami próżni - kondenstami kwarkowymi (qq) i gluonowymi (G2) odpowiedzialnymi za łamanie Symterii Chiralnej Av (s) ...... Przykład analizy dla mezonu  w f. gęstości N [Leupold ’98, Ruppert etal ’05] 0.2% 1%

e+ r e- Dieleptony z HIC NN-coll. Hadron Gas Au + Au QGP “Freeze-Out” t~10-12 fm “Freeze-Out” Hadron Gas Au + Au @ SPS NN-coll. QGP faza wczesna: "twarde" procesy (Drell-Yan) emisja ze źródła termalnego : QGP + hadron gaz faza zakrzepnięcia (chemiczne+termiczne) 0e+e-,   e+e- D e X, ... W widmie masy e+e- zakodowana jest cała informacja o przebiegu reakcj i!!!

Strategia pomiaru Widmo sygnału e+e- z reakcji Pb+Au 158 AGeV Pomiar m(e+e-)-dielektronu pochodzącego z rozpadu hadronów (BR~10-5 !) odjęcie tła kombinatorycznego! Odjęcie składowej pochodzącej z okresu po "zamrożeniu" krotności znane z innych eksperymentów hadronowych lub skalowane przez Npart ze zderzeń pp Extrakcja widma e+e- z "gorącej i gęstej" fazy

Wyniki eksperymentalne(I): SIS, SPS Wysokoenergetyczne zderzenia jądro-jądro HSD SIS: NN->NN N->N* ->N SPS: NN->NN  gęstość barionowa

Dielektrony z DLS@BEVELAC @ 1AGeV Data: R.J. Porter et al.: PRL 79(97)1229 Model: E.L. Bratkovskaya et al.: NP A634(98)168, BUU, vacuum spectral function Dobry (w ramach statystyki!) opis produkcji par e+e- w reakcjach pp, pn Duża nadwyżka par ponad widmo oczekiwane z rozpadów swobodych mezonów w reakcjach C+C i Ca+Ca @ 1 AGeV! Zaden model nie wyjaśnia obserwowanej nadwyżki!

HADES w GSI

Dielektrony z HADES@GSI Toroidalny spektrometr magnetyczny Akceptancja geometryczna par 35% Identyfikacja elektronów RICH: Ring Imaging CHerenkov, Zupełnie „ślepy” na hadrony TOF: ściana przelotu Pre-Shower: 18 komór drutowych + konwertery z ołowiu – wkład IFUJ Rekonstrukcja śladów MDC: 24 komory dryfowe z 100 µm przestrzenną zdolnością rozdzielczą Identyfikacja elektronów w czasie rzeczywistym (100µs !) w systemie wyzwalania 100-krotny wzrost wydajności w stosunku do DLS ! Start w 2002 1 m

C+C @ 2 AGeV HADES Cocktail A: 0 + η + ω A. Agakichiev Phys.Rev. Lett 98(2007) 052302 Wkład A (emisja po zamrożeniu) źródło termalne (T=80MeV) N(0)=1/2[N(+)+N(-)]. Rozkłady pionów zmierzone w tym samym eksprymencie! η zmierzone przez TAPS (20% bląd) ρ, ω : m -scaling Cocktail A: 0 + η + ω Cocktail B: Cocktail A + Δ(Ne+e-) + ρ wkład z "gęstej fazy" systematic errors: 15 % - efficiency correction 10 % - combinatorial background 11 % - 0 normalization 18 % 21 %

C+C @ 2 AGeV HADES- z modelami (06) RQMD Tübingen C.Fuchs, D. Cozma UrQMD Frankfurt M. Bleicher, D. Schumacher HSD Gießen (v2.5) E. Bratkovskaya, W. Cassing vacuum results Modele: poniżej dla 200<Mee<500 MeV/c2 przeszacowanie Mee> 700 MeV/c2 duże różnice pomiędzy modelami C+C at 2AGeV dane /Cocktail A Cocktail B czynnik 2 poniżej dla 200< Mee <500 MeV/c2 czynnik 4 poniżej dla 500<Mee<650 MeV/c2

C+C @ 2 AGeV HADES- z modelami (07)

C+C @ 2 AGeV HADES – rozkłady pt, y η ω Mee < 150 MeV/c2 (0) : Dobry opis 150 < Mee < 550 MeV/c2 : Niedoszacowanie w p (faktor 2). Mee > 550 MeV/c2 : Niedoszacowanie w p

Funkcja wzbudzenia nadwyżki e+e- (HADES) Preliminary HADES Yexc Nadwyżka skaluje się z energią jak produkcja  ! – Rezonansy barionowe?

Dielektrony z SPS(I): CERES(2000) Detekor CERES:RICH + TPC radial drift TPC: momentum and energy loss p/p=2%1%*p/GeV m/m = 3.8 % for  (dE/dx)/(dE/dx) = 10% RICH's: electron identification 200 naładowanych cząstek w akcpetancji/zderzenie ! rozróżnianie elektronów od hadronów RICH + TPC (pionów, 5x wiecej niż nukleonów!) na poziomie 4*104 !

Dielektrony z CERES : p+A " Coctail" mezonów dobrze opisany w opraciu o krotnośći znane z reakcji pp

Dielektrony z CERES(I) D. Miskowiec QM2005 centralność Zależność od centralności zderzenia ~ Npart2 : dominujący proces: +- e+e- Anihilacja  w medium !! Nadwyżka par nad widmo oczekiwane z rozpadu „swobodnych” hadronów: mee > 0.2 GeV: 2.430.21 (stat) Błąd systematyczny: 21%

Dielektrony z CERES(II): -in medium e+e- Pb + Au 158 AGeV Scenariusz BR opisuje dane gorzej (2/n = 2.4)! (Skalowanie Brown-Rho (B-R) mh *= mh(1-*/0) Efekt barionów istotny (szczególnie dla małych mas). Scenariusz hadronowy: (2/n = 0.4)

Eksperyment Na60 @ SPS (+-) 2.5 T dipole magnet muon trigger and tracking magnetic field hadron absorber Matching in coordinate and momentum space targets beam tracker vertex tracker Vertex tracker

Dimiony z Na60@SPS(I): in-medium e+e- Doskonały opis widma dla zderzeń peryferyjnych w oparciu o zmierzone krotności //η/φ w reakcjach pp, pBe Określenie wkładu pochodzącego od mezonu  (funkcji spektralnej mezonu w materii jądrowej) poprzez odjęcie wkładów od pozostałych mezonów w fukcji centralności Nadwyżka od „niezmodyfikowango” mezonu  rośnie z centralnością zderzenia (zgodnie z obserwacjami CERES) Wzrost natężenia- nowe kanały otwarte w materii: +-- -> Krotnosci mezonów zgadzaja sie z systematyka Becattini (pp,PBe) z tym ze dla rho/omega wartośc średnia okolo 1.8 przewyższa wartość zmierzona w In+In przez Na60 dla duzego pt>1GeV (1.2) i jest mniejsza od wartosci 2.0 dla pt<0.8. Do koktailu wzieto wartośc 1.2 dla zdarzen peryferyjnych Z pt>1 GeV!

Di-miony z Na60 @SPS(II): f. spektralna  Zderzenia centralne obliczenia:Hess & Rapp Phys.Rev. Lett 97(2006) 102301 teoria: [van Hees+Rap‘06] Widma znormalizowne do tej samej powierzchni w obszarze m<0.9 GeV i przepuszczone przez akceptancje spektrometru Na60 funkcjia spektralnej mezonu  w materii jądrowej poszerzenie f. spektralnej –niezgodne ze skalowaniem B-R Efekty barionowe są bardzo istotne

Wyniki eksperymentalne (II) Mezony w jądrze Efekty mierzalne ! quark-meson-exchange effective chiral lagrangian hadronic models 15% K. Saito et.al Phys.Rev.C55(1997)2637 T. Renk et.al Phys. Rev. C 66 (2002) 014902

Mezony w jądrze Generalna idea eksperymentu detektor p (E=3-4 GeV), - (E=1-2 GeV) 30% rozpadów  w jądrze, ~90% rozpadów  w jądrze p (E=12 GeV) ~ 6% rozpadów  w jądrze ~60% rozpadów  w jądrze Generalna idea eksperymentu P+p boundX e+e-X „dielektrony ” P+pboundX 0 X 3 X „fotony” e+ P =-, p,  detektor 3.5 GeV P 208Pb  1.17 GeV e-

Mezony w jądrze (p+A) p+A @ 12 GeV KEK – PS E325 G7 @ JLAB (QM2006) M. Naruki Phys.Rev.Lett 96 (2006) 09230 KEK – PS E325 G7 @ JLAB (QM2006) w/o shift p+A @ 12 GeV  + A E =1.2 GeV They fit shapes of mesons and combinatorial background (obtained from event mixing techniques) –yields are fit parameters and obtained for non-modified rho no contribution! Only after BR scaling they can reproduce measured elswehere (Blobel) rho/omega cross sections Widmo p+A opisane poprawnie zakładając zmianę masy  m*=m0(1-0.16/0) (skalowanie B-R )! Widmo p+A opisane poprawnie bez zmiany masy  !!

Mezony w jądrze (+A)- CB/TAPS @ ELSA A   A  (0) A at E from 3 GeV e- beam D. Trinka Phys. Rev, Lett (2005) 192303 ~20 % of  rozpadów w jądrze problem: 0 re-scattering zależność od p ! G7 m =722 w =0.60 g7 & KEK są nieczułe na efekt CBTAPS p > 0.8 GeV/c!— HADES m = m0 (1 - k /0); k = 0.14, medium = 90 MeV

Podsumowanie Pomiary funkcji spektralnej mezonów / (także φ-KEK325) w materii jadrowej wskazują na modyfikację masy zgodną ze scenariuszem BR ---program kontynuowany w KEK – upgrade KEK do wyższej energii ---program kontynuowany w JLAB (G7) Nowe pomiary przy niższej energii wiązki (p()+Nb HADES@GSI) powinny być bardziej czułe dla p<1 GeV/c i dostraczyć komplementarnej informacji URHIC (CERES+NA60) wskazują na duże modyfikacje szerokości mezonu  (scenariusz hadronowy preferowany!)-program zakończony Zderzenia ciężkich jonów 1-2AGeV (HADES+DLS) wskazuję na nadwyżkę par Efekt DLS potwierdzony ! Nadwyższka porównywalna z mierzoną na SPS! (ale system C+C b. mały !!) – medium czy procesy elementarne? -> eksperyment dp i pp @ 1.25 GeV F. Wzbudzenia wskazuje na skalowanie z N

Perspektywy HADES 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 p+p 1,25 GeV EXP S201 p,d+p 1,25/3,5 AGeV EXP S201 p+A upgrade Ni+Ni p+N,A Au+Au 8 AGeV SIS SIS SIS FAIR

HADES & CBM @ FAIR

Promieniowanie gorącej materii jądrowej Widmo masy niezmienniczej →e+e- z reakcji C+C @ 2AGeV Im Πem – funkcja spektralna mezonu Im Πem rozkład Breita Wignera dla rozpadu w próżni czynnik 1/M3 dla rozpadu w kanał dileketronowy fB(M,T) – rozkład dostępnej energii (masy) dla danej temperatury fB(M,T) ~exp(-M/T) Duże znaczenie dla niskich energii

Czasowa ewolucja zderzenia HI Relatywistyczne zderzenia ciężkich jonów: „Laboratorium” gęstej i gorącej materii jądrowej Dense matter Freeze-out First chance collisions Nuclear Matter SIS mB temperature Quark Matter Hadron Resonance Gas DLS, HADES(GSI,BEVELAC) CERES, NA60 (SPS) T TC~170 MeV 940 MeV 1200-1700 MeV baryon chemical potential thermal freeze out chemical freeze out DLS, HADES, KEK E235 PHENIX (RHIC) Toneev at al. ,nucl-th/0503088: 3-fluid hydrodynamics Czasowa ewolucja zderzenia HI

SIS (BEVALAC) energy regime: 1-2 AGeV S. Bass et al. IQMD 15 fm/c r/r0 Final state in heavy ion collisions; up to 200 charged particles (Au+Au) approximately 10 % pions, baryon dominated Production of vector mesons below threshold co-operative process :NN N, N NN N N*()  N production confined to high density phase One vector meson decaying into lepton pair per 10 Million reactions ! Enhancement of baryon density Dt (3 > r/r0 > 2) = 15 fm/c.. Comparable to \ life times : V=1.3\23 fm/c Near threshold dynamics - off-shell effects! complementary pN and N programme ! C.Fuchs Phys.ReV.C67 025202(2003)

Generacja mas Model standartowy Q u e c t d e s  b    2/3 -1/3 10-3 10-1 1 101 102 103 104 105 10-2 mq,l [MeV] e   e   d u s c b t leptony kwarki Q u e c t d e s  b    2/3 -1/3 -1 Kwarki leptony 3 rodziny cząstek Jaki jest mechanizm generacji mas hadronów? Mproton>> 3mu/d (20 MeV) ! Model kwarków: masy "constituent" (Mu/d ~300 MeV) Generacja mas leptonów i kwarków przez mechanizm Higgsa Masy „current" (mu/d~5 MeV)

Symetrie (globalne) oddziaływań silnych Zachowanie liczby barionowej: U(1)V Symeria chiralna SU(Nf)L/R : Oddziaływanie silne (Lagrangian) bezmasowych kwarków (u,d) jest niezmiennicze względem 2 transformacji: Axialnej i Wektorowej f.falowa kwarku w p. zapachu q=(u,d) , =(1, 2 , 3) macierze Izo(spinu) Pauliego Oddziaływanie silne zachowuje skrętność (chiralność) Zachowanie izospinu (UV) . Np: piony mają taką samą masę Degenarcja mas partnerów chiralnych (UA). Np: (1+), a1(1-)

Widma hadronów a Symteria Chiralna (Sch) Widma hadronów : dublety chiralne Parnterzy chiralni 0+ 0- 1- 1+ różne masy parnerów chiralnych ! Symetria chirlana jest złamana przewidziane w 1992-94 dla układów c,s(u) przez M.Nowak, Rho, Zahed, Bardeen, Hill i... Zmierzonew 2003 przez BELLE, CLEO, BARBAR 0- (1.86) 0+ (2.31) 1- (2.01) 1+ (2.42) 1+ (2.46) Mezony cu D0 0- (1.96) 0+ (2.32) 1+ (2.54) 1- (2.11) Mezony cs Ds hadrony z kw. u,d JP=0± 1± 1/2± SB rozszczepienie ~400 MeV/c2

Metoda eksperymentalna Pomiar własnosci (m, ) -> f. spektralna mezonów wektorowych ,,  w materii (reakcje pA, A, AA ) poprzez rozpady dileptonowe e+e- lub µ+ µ- e- c 10-15 fm/c Niezaburzona informacja z wnętrza materii małe prawd.(2) rozpadu w kanał dielektronowy Duże tło hadronowe e+ Rozpady dwóciałowe (linie): Rozpady trójciałowe (Dalitz) (continuum):  2AGeV Ca+Ca Me+e [GeV/c2}- CB – Tło kombinatoryczne z rozpadów 0 Dalitz+ konwersja fotonów! V → e+e- V → e+e- X Mezon Masa [MeV/c2] Szerokość  Czas życia c [fm/c] (Ve+e-) tot 0 770 150 1.3 4.4x10-5  782 8.4 23.4 7.1x10-5  1020 4.4 44.4 3.1x10-5

Mezony w jądrze- ostateczny dowód na skalowanie B-R? eksperyment HADES@GSI (2006): p+Pb@4 GeV, -+Pb@1.3 GeV Selekcja  w spoczynku wzgl. jądra poprzez kinematykę p<300 MeV/c ! E.Bratkovskaya et al.. Nucl-th/0101067(01) M.Effenberger et al. Phys.Rev.C027601(01) Przewidywania teoretyczne:

HADES: Weryfikacja rekonstrukcji dilektronów : pp @ 2.2 AGeV (2004) TARGET: LH2 (5cm length - 21023 protons/cm2) wiązka protonów 107 p/ Cel: eksluzywna rekonstrukcja mezonu  oraz pierwszy test rekonstrukcji z wysoką zdonością rozdzielczą pp → pp → pp+ - 0 (hadrony) pp → pp → ppe+e-  (dielektrony) 0 pp→pp0 pp→pp0→ppe+e- BR: 1.2*10-2  pp→pp→pp+-0 pp→pp→ppe+e- BR: 6 * 10-3 pełen zestaw komór w 4 sektorach (4MDC) 3 sektory z (3MDC) Setup

Ekskluzywna rekonstrukcja  Kanał elektromagnetyczny kanał hadronowy pp→pp→ppe+e- pp→pp→pp+-0 pp→pp0→ppe+e- R = hadr/electr 15.31.3 (SIM) 19.8 2.1 (EXP) dobra zgodność ! 0 =2.4%  =2.6% Missing Mass of protons [MeV/c2] Missing Mass of protons [MeV/c2]

Identyfikacja elektronów : HADES linear z axis ! zdarzenia wyzwolone triggerem w 2'rzędu (LVL2): 1.2 % zdarzeń LVL1! LVL2: koincydencja "elektronów" w RICH i META. Wydajność na pary>86% offline :+ pełna rekonstrukcja śladów log. z axis ! yield [arb. units] warunek na b

HADES@GSI RICH +MDC I RICH PreShower Magnet